第二章 数字图像处理基础.pdf

第二章 数字图像处理基础矿大信电学院 蔡利梅矿大信电学院 蔡利梅第2章 数字图像处理基础第2章 数字图像处理基础2.1 人眼视觉系统2.1 人眼视觉系统2.2 色度学基础与颜色模型2.2 色度学基础与颜色模型2.3 数字图像的生成与表示2.3 数字图像的生成与表示2.4 数字图像的数值描述2.4 数字图像的数值描述2.1 人眼视觉系统2.1 人眼视觉系统（1）人眼基本构造（1）人眼基本构造光轴巩膜脉络膜视神经晶状体虹膜瞳孔角膜前房后房玻璃体视网膜睫状体视轴中央凹人眼在观察景物时，从物体反射光到光信号传入大脑神经，人眼在观察景物时，从物体反射光到光信号传入大脑神经，经过屈光、感光、传输、处理等一系列过程，从而产生物体经过屈光、感光、传输、处理等一系列过程，从而产生物体大小、形状、亮度、颜色、运动、立体等感觉。大小、形状、亮度、颜色、运动、立体等感觉。?视网膜是视网膜是感光系统感光系统，将光能转换加工成神经冲动，经视神经传入大脑中的视觉中枢，从而产生视觉。由三层细胞组成，由外到内依此为：，将光能转换加工成神经冲动，经视神经传入大脑中的视觉中枢，从而产生视觉。由三层细胞组成，由外到内依此为：?感光细胞层感光细胞层?锥体细胞锥体细胞，感光灵敏度低，三种，对入射的辐射有不同的频谱响应，是颜色视觉的基础。，感光灵敏度低，三种，对入射的辐射有不同的频谱响应，是颜色视觉的基础。?杆体细胞杆体细胞，感光灵敏度高，分辨细节能力低，不感受颜色，仅提供视野的整体视像。，感光灵敏度高，分辨细节能力低，不感受颜色，仅提供视野的整体视像。?双极细胞层双极细胞层?神经节细胞层神经节细胞层?角膜、房水、晶状体、玻璃体是折射率不同的光学介质，属于角膜、房水、晶状体、玻璃体是折射率不同的光学介质，属于屈光系统屈光系统，作用是将不同远近的物体清晰地成像在视网膜上。，作用是将不同远近的物体清晰地成像在视网膜上。（2）视觉过程（2）视觉过程?光学过程：由人眼实现光学成像过程，基本确定了成像的尺寸光学过程：由人眼实现光学成像过程，基本确定了成像的尺寸?化学过程：与光接受细胞有关，基本确定了成像的亮度或颜色化学过程：与光接受细胞有关，基本确定了成像的亮度或颜色?神经处理过程：在大脑神经系统里进行的转换过程神经处理过程：在大脑神经系统里进行的转换过程响应响应光刺激光刺激视网膜接收视网膜接收视网膜神经处理视网膜神经处理右眼右眼视网膜接收视网膜接收视网膜神经处理视网膜神经处理左眼左眼视觉通道视觉通道大脑皮层处理大脑皮层处理?存储参考图像存储参考图像?信息处理信息处理?特征提取特征提取?描述描述?决策决策（3）明暗视觉（3）明暗视觉?人眼的亮度适应范围人眼的亮度适应范围?人的视觉系统人的视觉系统有很大的亮度适应范围有很大的亮度适应范围，从暗视觉门限到眩目极限之间的范围达10，从暗视觉门限到眩目极限之间的范围达101010量级，但量级，但并不能同时在这么大范围内工作并不能同时在这么大范围内工作，是靠改变它的具体敏感度来实现，是靠改变它的具体敏感度来实现亮度适应亮度适应的。一般的室内照明，只能同时分清约的。一般的室内照明，只能同时分清约2020级灰度。进入暗房，最大能分辨的灰度级别为级灰度。进入暗房，最大能分辨的灰度级别为120120级。级。16级灰度16级灰度32级灰度32级灰度64级灰度64级灰度?感觉亮度(主观亮度)与实际亮度之间呈非线性关系感觉亮度(主观亮度)与实际亮度之间呈非线性关系?马赫带效应马赫带效应实际亮度实际亮度主观亮度主观亮度在亮度变化的边界附近的暗区和亮区中分别存在一条更黑和更亮的条带“Mach”带。在亮度变化的边界附近的暗区和亮区中分别存在一条更黑和更亮的条带“Mach”带。?同时对比度同时对比度人眼对某个区域感觉到的亮度并不仅仅依赖于区域本身的亮度，同时受到背景的影响人眼对某个区域感觉到的亮度并不仅仅依赖于区域本身的亮度，同时受到背景的影响中心的小正方形亮度一致，但背景暗时看起来要亮些，背景亮时看起来要暗些中心的小正方形亮度一致，但背景暗时看起来要亮些，背景亮时看起来要暗些（4）颜色视觉（4）颜色视觉?光感受细胞与颜色光感受细胞与颜色?三种锥体细胞分别含有三种不同的视色素，光谱吸收峰值分别在三种锥体细胞分别含有三种不同的视色素，光谱吸收峰值分别在440450nm、530540nm、560570nm处，称这三种视色素为处，称这三种视色素为亲蓝亲蓝、亲绿亲绿和和亲红亲红视色素。视色素。?外界光辐射进入人眼时被三种锥体细胞按它们各自的吸收特性所吸收，引起光化学反应，触发生物能，引起视神经活动。外界光辐射进入人眼时被三种锥体细胞按它们各自的吸收特性所吸收，引起光化学反应，触发生物能，引起视神经活动。?暗视觉条件下只有杆体细胞起作用，仅由视紫红色素吸收光子，所以暗视觉条件下只有杆体细胞起作用，仅由视紫红色素吸收光子，所以暗视觉时不能分辨颜色，只有明亮感觉暗视觉时不能分辨颜色，只有明亮感觉。?杆体细胞中视紫红色素的合成需要维生素杆体细胞中视紫红色素的合成需要维生素A的参与，所以缺乏维生素的参与，所以缺乏维生素A的人常有夜盲症。的人常有夜盲症。?颜色恒常性（颜色恒常性（Color constancy）?指当外界条件发生变化后，人们对该物体表面颜色的知觉仍然保持不变。指当外界条件发生变化后，人们对该物体表面颜色的知觉仍然保持不变。?色适应色适应?人眼对某一色光适应后，观察另一物体的颜色时，不能立即获得客观的颜色印象，而是带有原适应色光的补色成分，经过一段时间适应后才会获得客观的颜色感觉，这就是色适应的过程。人眼对某一色光适应后，观察另一物体的颜色时，不能立即获得客观的颜色印象，而是带有原适应色光的补色成分，经过一段时间适应后才会获得客观的颜色感觉，这就是色适应的过程。（5）立体视觉（5）立体视觉?即是从二维视网膜像中获得3维视觉空间，即获得深度距离信息即是从二维视网膜像中获得3维视觉空间，即获得深度距离信息?人类并没有直接或专门用来感知距离的器官，对空间的感知不仅仅依靠视力，借助于一些外部客观条件和自身机体内部条件来判断物体的空间位置人类并没有直接或专门用来感知距离的器官，对空间的感知不仅仅依靠视力，借助于一些外部客观条件和自身机体内部条件来判断物体的空间位置?非视觉性深度线索非视觉性深度线索?眼睛聚焦调节眼睛聚焦调节：通过眼肌调节水晶体以在视网膜上获得清晰视像，这种调节活动传递给大脑的信号提供了有关物体距离的信息：通过眼肌调节水晶体以在视网膜上获得清晰视像，这种调节活动传递给大脑的信号提供了有关物体距离的信息?双眼视轴的辐合双眼视轴的辐合：观看远近不同的物体时，两眼视轴要完成一定的辐合运动，将各自的中央凹对准物体，将物体映射到视网膜感受性最高的区域，控制视轴辐合的眼肌运动能给大脑提供关于物体距离的信息：观看远近不同的物体时，两眼视轴要完成一定的辐合运动，将各自的中央凹对准物体，将物体映射到视网膜感受性最高的区域，控制视轴辐合的眼肌运动能给大脑提供关于物体距离的信息?双目深度线索双目深度线索?人对空间场景的深度感知主要依靠双目视觉实现，每只眼睛的视网膜上各自形成一个独立的视像，由于双眼相距约65mm，两个视像相当于从不同角度观察，因而两眼视像不同，即双眼视差人对空间场景的深度感知主要依靠双目视觉实现，每只眼睛的视网膜上各自形成一个独立的视像，由于双眼相距约65mm，两个视像相当于从不同角度观察，因而两眼视像不同，即双眼视差?双眼视差是产生立体知觉和深度知觉的原因双眼视差是产生立体知觉和深度知觉的原因?单目深度线索单目深度线索?刺激物本身的一些物理条件，通过观察者的经验和学习，在一定条件下也可以成为知觉深度和距离的线索刺激物本身的一些物理条件，通过观察者的经验和学习，在一定条件下也可以成为知觉深度和距离的线索?大小和距离大小和距离：当物体实际大小已知，通过观察可推算物距：当物体实际大小已知，通过观察可推算物距?照明变化照明变化：明亮的物体显得近，灰暗或阴影中的物体显得远，一般认为远方的物体呈蓝色，近的物体呈黄色或红色，较远的物体轮廓不如较近的物体轮廓清晰：明亮的物体显得近，灰暗或阴影中的物体显得远，一般认为远方的物体呈蓝色，近的物体呈黄色或红色，较远的物体轮廓不如较近的物体轮廓清晰?线性透视、物体的遮挡、运动视差等线性透视、物体的遮挡、运动视差等（6）视觉暂留（6）视觉暂留?视觉暂留是动态图像产生的原因，其具体应用是电影的拍摄和放映。视觉暂留是动态图像产生的原因，其具体应用是电影的拍摄和放映。2.2 色度学基础与颜色模型2.2 色度学基础与颜色模型?将颜色转变为数字量，必须解决它的将颜色转变为数字量，必须解决它的定量度量定量度量问题，但是，颜色是光作用于人眼引起的视觉特性，不是纯物理量，涉及观察者的视觉生理、视觉心理、照明条件、观察条件等许多问题。问题，但是，颜色是光作用于人眼引起的视觉特性，不是纯物理量，涉及观察者的视觉生理、视觉心理、照明条件、观察条件等许多问题。?如何进行颜色的测量和定量描述是色度学的研究对象如何进行颜色的测量和定量描述是色度学的研究对象（1）颜色匹配（1）颜色匹配红绿蓝黑挡屏白屏待 测 色光背景屏眼睛视场?颜色匹配：颜色匹配：把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程，将观察者的颜色感觉数字化。把两种颜色调节到视觉上相同或相等的过程，将观察者的颜色感觉数字化。?三原色：三原色：在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意颜色的三种颜色在颜色匹配中，用于颜色混合以产生任意颜色的三种颜色?三刺激值：三刺激值：颜色匹配实验中，当与待测色达到色匹配时所需要的三原色的数量，记作R、G、B颜色匹配实验中，当与待测色达到色匹配时所需要的三原色的数量，记作R、G、B?光谱三刺激值：光谱三刺激值：匹配等能光谱色的三原色数量。用符号表示。匹配等能光谱色的三原色数量。用符号表示。bgr,?颜色匹配方程：颜色匹配方程：)()()()(BBGGRRCC+C代表被匹配色数量，（）代表被匹配颜色单位，()，(G)，(B)代表产生混合色的红、绿、蓝三原色单位。C代表被匹配色数量，（）代表被匹配颜色单位，()，(G)，(B)代表产生混合色的红、绿、蓝三原色单位。?色品坐标：色品坐标：三原色各自在R+G+B总量中的相对比例，用符号r，g，b来表示。三原色各自在R+G+B总量中的相对比例，用符号r，g，b来表示。()()()+=+=+=BGRBbBGRGgBGRRr?色品图：色品图：以色品坐标r，g表示的平面图以色品坐标r，g表示的平面图1r0.5（G）（R）g（B）10.5色品图31,31W?颜色匹配方程和计算任一颜色三刺激值必须测得人眼的光谱三刺激值，将辐射光谱与人眼颜色特性相联。颜色匹配方程和计算任一颜色三刺激值必须测得人眼的光谱三刺激值，将辐射光谱与人眼颜色特性相联。?实验证明不同观察者视觉特性有差异，但对正常颜色视觉的人差异不大，故可根据一些观察者的颜色匹配实验，确定一组匹配等能光谱色的三原色数据“标准色度观察三刺激值”。实验证明不同观察者视觉特性有差异，但对正常颜色视觉的人差异不大，故可根据一些观察者的颜色匹配实验，确定一组匹配等能光谱色的三原色数据“标准色度观察三刺激值”。?由于选用的三原色不同及确定三刺激值单位的方法不一致，因而数据无法统一由于选用的三原色不同及确定三刺激值单位的方法不一致，因而数据无法统一?CIE综合了莱特（W.D.Wright）和吉尔德（J.Guild）颜色匹配实验结果，提出了CIE综合了莱特（W.D.Wright）和吉尔德（J.Guild）颜色匹配实验结果，提出了CIE 1931RGB色度系统CIE 1931RGB色度系统（2）CIE 1931-RGB系统（2）CIE 1931-RGB系统400nm700nm紫外光紫外光红外光红外光可见光区可见光区546.1nm435.8nm780nm?选择三原色选择三原色?确定三原色单位以相等数量的三原色刺激值（R=G=B=1)匹配出等能白光（E光源），来确定三刺激值单位。确定三原色单位以相等数量的三原色刺激值（R=G=B=1)匹配出等能白光（E光源），来确定三刺激值单位。1931年，CIE定出1931年，CIE定出匹配等能光谱色的RGB三刺激值匹配等能光谱色的RGB三刺激值，用，用bgr,表示，称为“CIE 1931RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE 1931RGB系统标准色度观察者”，代表人眼2视场的表示，称为“CIE 1931RGB系统标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“CIE 1931RGB系统标准色度观察者”，代表人眼2视场的平均颜色视觉特性平均颜色视觉特性，这一系统称为“，这一系统称为“CIE 1931RGB色度系统CIE 1931RGB色度系统”，”，CIE1931-RGB系统的光谱三刺激值是由实验获得的，本来可以用于色度计算，但由于光谱三刺激值与色度坐标都出现了CIE1931-RGB系统的光谱三刺激值是由实验获得的，本来可以用于色度计算，但由于光谱三刺激值与色度坐标都出现了负值负值，计算起来不方便，又不易理解，因此，1931年CIE讨论推荐了一个新的国际通用色度系统，计算起来不方便，又不易理解，因此，1931年CIE讨论推荐了一个新的国际通用色度系统CIE1931-XYZ系统CIE1931-XYZ系统。bgr,（3）CIE 1931标准色度系统（3）CIE 1931标准色度系统CIE 1931-XYZ系统，由CIE 1931-RGB系统推导来，其匹配等能光谱的三刺激值定名为“CIE 1931-XYZ系统，由CIE 1931-RGB系统推导来，其匹配等能光谱的三刺激值定名为“CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值CIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值”，简称为“”，简称为“CIE 1931标准色度观察者CIE 1931标准色度观察者”。”。CIE 1931-XYZ系统用CIE 1931-XYZ系统用三个假想的原色三个假想的原色（X）、（Y）、（Z）建立了一个新的色度系统，（X）、（Y）、（Z）建立了一个新的色度系统，系统中光谱三刺激值全为正值系统中光谱三刺激值全为正值。因此选择三原色时，必须。因此选择三原色时，必须使三原色所形成的颜色三角形能包括整个光谱轨迹使三原色所形成的颜色三角形能包括整个光谱轨迹。即整个光谱轨迹完全落在X，Y，Z所形成的虚线三角形内。即整个光谱轨迹完全落在X，Y，Z所形成的虚线三角形内。?XYZ系统和RGB系统三刺激值间的关系XYZ系统和RGB系统三刺激值间的关系+=+=+=BGZBGRYBGRX5943.50565.000601.05907.40000.11302.17517.17689.2()()()+=+=+=ZYXZzZYXYyZYXXx?色品坐标色品坐标?CIE 1931 x-y色品图CIE 1931 x-y色品图0.8CE45038047048077065062060058056054052000.40.60.40.20.20.60.8yx500适用于适用于2 视场视场的中央视觉观察条件的中央视觉观察条件（4）CIE 1976 L*a*b*均匀颜色空间（4）CIE 1976 L*a*b*均匀颜色空间?均匀颜色空间均匀颜色空间，一个三维空间，每点代表一种颜色，一个三维空间，每点代表一种颜色，空间中两点之间的距离代表两种颜色的色差空间中两点之间的距离代表两种颜色的色差，相等的距离代表相同的色差。，相等的距离代表相同的色差。?经过多年的研究和修改，1976年CIE推荐了两个色空间：经过多年的研究和修改，1976年CIE推荐了两个色空间：CIE 1976L*u*v*色空间CIE 1976L*u*v*色空间和和CIE 1976L*a*b*色空间CIE 1976L*a*b*色空间?标准色度系统解决了用数量来描述颜色的问题，但不能解决色差判别的问题标准色度系统解决了用数量来描述颜色的问题，但不能解决色差判别的问题?CIE LUV均匀色空间及色差公式主要应用于照明、CRT和电视工业以及那些采用加色法混合产生色彩的行业；CIE LAB主要应用于颜料和图像艺术工业，近代的颜色数码成像标准和实际应用也是用CIE LAB，CIE LUV均匀色空间及色差公式主要应用于照明、CRT和电视工业以及那些采用加色法混合产生色彩的行业；CIE LAB主要应用于颜料和图像艺术工业，近代的颜色数码成像标准和实际应用也是用CIE LAB，=nnnnnZZfYYfbYYfXXfaYYfL200*500*16116*()()()()nnnZZYYXXff,=+=3331116241162411616108841XYZ为颜色的三刺激值；Xn，Yn，Zn：CIE标准照明体照射到完全漫反射体表面的三刺激值。XYZ为颜色的三刺激值；Xn，Yn，Zn：CIE标准照明体照射到完全漫反射体表面的三刺激值。（5）孟塞尔表色系统（5）孟塞尔表色系统?CIE色度系统通过三刺激值来定量地描述颜色，这一表色系统称为CIE色度系统通过三刺激值来定量地描述颜色，这一表色系统称为混色系统混色系统。?混色系统的颜色可用数字量表示、计算和测量，是用应用心理物理学的方法表示在特定条件下的颜色量，但三刺激值和色品坐标不能与混色系统的颜色可用数字量表示、计算和测量，是用应用心理物理学的方法表示在特定条件下的颜色量，但三刺激值和色品坐标不能与人的视觉所能感知的颜色三属性人的视觉所能感知的颜色三属性明度、色调和饱和度直接关联。明度、色调和饱和度直接关联。?人们用各种颜料混合制成许多尺寸相同的小卡片，按照一定原则依次排列，给予每个颜色卡片以相应的字符和数码，以此来传递颜色信息，这种表色系统称为人们用各种颜料混合制成许多尺寸相同的小卡片，按照一定原则依次排列，给予每个颜色卡片以相应的字符和数码，以此来传递颜色信息，这种表色系统称为颜色次序系统颜色次序系统（color-order system）。（color-order system）。?孟塞尔表色系统由美国美术家孟塞尔（A.H.Munsell）在20纪初建立的一种表色系统，美国国家标准协会和美国材料测试协会的颜色标准，目前得到世界公认的最重要表色系统之一，中国颜色体系及日本颜色标准将其作为参考。孟塞尔表色系统由美国美术家孟塞尔（A.H.Munsell）在20纪初建立的一种表色系统，美国国家标准协会和美国材料测试协会的颜色标准，目前得到世界公认的最重要表色系统之一，中国颜色体系及日本颜色标准将其作为参考。?孟塞尔系统色立体孟塞尔系统色立体?孟塞尔明度(Value，记为V)孟塞尔明度(Value，记为V)孟塞尔颜色立体的中心轴代表由底部的黑色到顶部白色的非彩色系列的明度值，称为孟塞尔颜色立体的中心轴代表由底部的黑色到顶部白色的非彩色系列的明度值，称为孟塞尔明度孟塞尔明度，以符号V表示。，以符号V表示。定义：孟塞尔明度值由0至10共分为11个在定义：孟塞尔明度值由0至10共分为11个在视觉上等距(等明度差)的等级。视觉上等距(等明度差)的等级。理想黑色V=0，理想白色V=10。理想黑色V=0，理想白色V=10。实际应用中由于理想的白、黑色并不存在，所以只用到1-9级。实际应用中由于理想的白、黑色并不存在，所以只用到1-9级。彩色的明度值：彩色的明度值：在颜色立体中以离开基底平面的高度代表，即同一水平面上的所有颜色的明度值相等且等于该水平面中央轴上非彩色(灰色)的明度值。在颜色立体中以离开基底平面的高度代表，即同一水平面上的所有颜色的明度值相等且等于该水平面中央轴上非彩色(灰色)的明度值。?孟塞尔彩度(Chroma,记为C)在孟塞尔色立体中，颜色的饱和度孟塞尔彩度(Chroma,记为C)在孟塞尔色立体中，颜色的饱和度以离开中央轴的距离以离开中央轴的距离来表示，称为来表示，称为孟塞尔彩度孟塞尔彩度；表示这一颜色与相同明度值的非彩色之间的差别程度，以符号C来表示。；表示这一颜色与相同明度值的非彩色之间的差别程度，以符号C来表示。?孟塞尔色调(Hue,记为H)孟塞尔色调(Hue,记为H)孟塞尔色调孟塞尔色调是以围绕色立体中央轴的角位置来代表的，以符号H表示。孟塞尔色立体水平剖面上以中央轴为中心，将圆周等分为10个部分，排列着10种基本色调组成色调环。是以围绕色立体中央轴的角位置来代表的，以符号H表示。孟塞尔色立体水平剖面上以中央轴为中心，将圆周等分为10个部分，排列着10种基本色调组成色调环。每一种色调再细分成10个等级，从1到10，并规定每种主要色调和中间色调的标号均为5，孟塞尔色调环共有100个刻度(色调)每一种色调再细分成10个等级，从1到10，并规定每种主要色调和中间色调的标号均为5，孟塞尔色调环共有100个刻度(色调)色调值10等于下一个色调的0 色调值10等于下一个色调的0 表示100个色调表示100个色调210Y2424466688810101010RP5RP10P5P10PB5PB10B5B10BG5BG10G5G10GY5GY5Y10YRR5YRR10R5R（6）常用颜色模型（6）常用颜色模型?颜色的描述是通过建立色彩模型来实现的，颜色的描述是通过建立色彩模型来实现的，不同的色彩模型对应于不同的处理目的不同的色彩模型对应于不同的处理目的?CIE（国际照明委员会）在进行大量的色彩测试实验的基础上提出了CIE（国际照明委员会）在进行大量的色彩测试实验的基础上提出了一系列的颜色模型一系列的颜色模型用于对色彩进行描述用于对色彩进行描述?各种不同的颜色模型之间各种不同的颜色模型之间可以通过数学方法互相转换可以通过数学方法互相转换?颜色模型的定义颜色模型的定义?为了不同的研究目的，确立了某种标准，按这个标准用基色表示颜色。为了不同的研究目的，确立了某种标准，按这个标准用基色表示颜色。?一般情况下，一种颜色模型用一个三维坐标系统和系统中的一个子空间来表示，每种颜色是这个子空间的一个单点。一般情况下，一种颜色模型用一个三维坐标系统和系统中的一个子空间来表示，每种颜色是这个子空间的一个单点。?RGB颜色模型RGB颜色模型?国际照明委员会（CIE）规定以国际照明委员会（CIE）规定以700nm(红)700nm(红)、546.1nm(绿)546.1nm(绿)、435.8nm(蓝)435.8nm(蓝)三个色光为三基色。又称为物理三基色。自然界的所有颜色都可以通过选用这三个色光为三基色。又称为物理三基色。自然界的所有颜色都可以通过选用这三基色按不同比例混合而成。三基色按不同比例混合而成。黄黄(255,255,0)黑黑(0,0,0)绿绿(0,255,0)青青(0,255,255)蓝蓝(0,0,255)品红品红(255,0,255)白白(255,255,255)红红(255,0,0)?计算机、监视器采用这种颜色模型计算机、监视器采用这种颜色模型?CMY和CMYK颜色模型CMY和CMYK颜色模型?CMY(CMY(青青、紫紫、黄黄)、CMYK()、CMYK(青青、紫紫、黄黄、黑）、黑）?运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩色打印机和复印机。运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩色打印机和复印机。?CMYKCMYK?打印中的主要颜色是黑色打印中的主要颜色是黑色?等量的CMY原色产生黑色，但不纯等量的CMY原色产生黑色，但不纯?在CMY基础上，加入黑色，形成CMYK彩色模型在CMY基础上，加入黑色，形成CMYK彩色模型?CMY和RGB之间的转换CMY和RGB之间的转换?RGB CMY：计算机内部的颜色采用RGB结构，彩打要求CMY数据输入。RGB CMY：计算机内部的颜色采用RGB结构，彩打要求CMY数据输入。?CMY RGB：无实际意义CMY RGB：无实际意义=BGRYMC111?YIQ颜色模型YIQ颜色模型?Y指亮度，即灰度值；I和Q指色调，描述色彩及饱和度。利用人的可视系统对亮度变化比对色调和饱和度变化更敏感而设计。Y指亮度，即灰度值；I和Q指色调，描述色彩及饱和度。利用人的可视系统对亮度变化比对色调和饱和度变化更敏感而设计。?用于彩色电视广播，被北美的电视系统(NTSC)所采用，Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息。用于彩色电视广播，被北美的电视系统(NTSC)所采用，Y分量可提供黑白电视机的所有影像信息。?YIQ和RGB之间的转换YIQ和RGB之间的转换=BGRQIY311.0523.0212.0321.0275.0596.0114.0587.0299.0=QIYBGR1.7031.106-10.647-0.272-10.6210.9561?YUV颜色模型YUV颜色模型?Y指亮度，与YIQ的Y相同；U和V也指色调，不同于YIQ中的I和QY指亮度，与YIQ的Y相同；U和V也指色调，不同于YIQ中的I和Q?用于彩色电视广播，被欧洲的电视系统(PAL)所采用，Y分量也可提供黑白电视机的所有影像信息用于彩色电视广播，被欧洲的电视系统(PAL)所采用，Y分量也可提供黑白电视机的所有影像信息?YUV和RGB之间的转换YUV和RGB之间的转换=BGRVUY100.0515.0615.0437.0289.0148.0114.0587.0299.0=VUYBGR0032.21581.0395.01140.101?YCbCr颜色模型YCbCr颜色模型?Y指亮度,与YIQ和YUV的Y相同，Cb和Cr由U和V调整得到Y指亮度,与YIQ和YUV的Y相同，Cb和Cr由U和V调整得到?与YUV表色系统不同的是它充分考虑了色彩组成时RGB三色的重要因素。YUV考虑的是简单，YCbCr考虑的是压缩时可以充分取出冗余量。与YUV表色系统不同的是它充分考虑了色彩组成时RGB三色的重要因素。YUV考虑的是简单，YCbCr考虑的是压缩时可以充分取出冗余量。?YCbCr和RGB之间的转换YCbCr和RGB之间的转换)(299.01(2)(114.01(2114.0587.0299.0YRCrYBCBGRYb=+=)299.01(21=rk)114.01(21=bkrrCkYR+=bbCkYB+=bbrrCkCkYG*587.0/114.0*587.0/299.0=?常见的灰度化方法之一：常见的灰度化方法之一：BGRY*114.0*587.0*299.0+=?HSI颜色模型HSI颜色模型?两个特点：两个特点：?I分量与图像的彩色信息无关I分量与图像的彩色信息无关?H和S分量与人感受颜色的方式紧密相连H和S分量与人感受颜色的方式紧密相连?将亮度（I）与色调（H）和饱和度（S）分开，避免颜色受到光照明暗（I）等条件的干扰，仅仅分析反映色彩本质的色调和饱和度将亮度（I）与色调（H）和饱和度（S）分开，避免颜色受到光照明暗（I）等条件的干扰，仅仅分析反映色彩本质的色调和饱和度?广泛用于计算机视觉、图像检索和视频检索广泛用于计算机视觉、图像检索和视频检索?本模型为本模型为立方圆柱体立方圆柱体?I：表示光照强度或称为亮度，确定像素的整体亮度，不管其颜色是什么。沿底面中心向上，由黑到I：表示光照强度或称为亮度，确定像素的整体亮度，不管其颜色是什么。沿底面中心向上，由黑到白白黑白黑白IS?H：色度，反映了该颜色最接近什么样的光谱波长H：色度，反映了该颜色最接近什么样的光谱波长?红绿蓝三条坐标轴平分360，红绿蓝三条坐标轴平分360，00为红色，为红色，120120为绿色，为绿色，240240为蓝色，0到240覆盖了所有可见光谱的颜色，240到300是人眼可见的非光谱色(紫)为蓝色，0到240覆盖了所有可见光谱的颜色，240到300是人眼可见的非光谱色(紫)?P点的色调H是P点的色调H是圆心到P的向量与红色轴的夹角圆心到P的向量与红色轴的夹角PRGBH=0H=60H=120H=180H=240H=300?S：饱和度，指一种颜色被白色稀释的程度S：饱和度，指一种颜色被白色稀释的程度?与彩色点P到色环圆心的距离成正比，与彩色点P到色环圆心的距离成正比，距圆心越远，饱和度越大距圆心越远，饱和度越大?在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为1。在中心是中性(灰)影调，即饱和度为0在环的外围圆周是纯的或称饱和的颜色，其饱和度值为1。在中心是中性(灰)影调，即饱和度为0S=0S=1S=1/4S=1/2?思考问题：在这个模型的圆周上，红色的点顺(逆)时针旋转会变成什么样？上下移动呢？向圆心方向移动呢？思考问题：在这个模型的圆周上，红色的点顺(逆)时针旋转会变成什么样？上下移动呢？向圆心方向移动呢？红点顺(逆)时针移动的效果：红点顺(逆)时针移动的效果：红点上、下移动的效果：红点上、下移动的效果：红点向圆心方向移动的效果：红点向圆心方向移动的效果：?RGB和HIS之间的转换：RGBRGB和HIS之间的转换：RGBHSIHSI=BGBGH2+=)()()()(21cos21BGBRGRBRGR)(31BGRI+=BGRBGRS,min31+=常见的灰度化方法之一常见的灰度化方法之一?RGB和HIS之间的转换：HSIRGB和HIS之间的转换：HSIRGBRGB+=)60cos()cos(13HHSIR?()SIB=13BRIG=3时当?1200 H+=)180cos()120cos(13HHSIG?()SIR=13GRIB=3时当?240120 H时当?360240 H+=)300cos()240cos(13HHSIB?()SIG=13BGIR=32.3 数字图像的生成与表示2.3 数字图像的生成与表示?对于自然界中的物体，通过某些成像设备，将物体表面的反射光或者通过物体的透射光，转换成电压，在成像平面生成图像。对于自然界中的物体，通过某些成像设备，将物体表面的反射光或者通过物体的透射光，转换成电压，在成像平面生成图像。?图像中目标的亮度取决于投影成目标的景物所受到的光照度、景物表面对光的反射程度以及成像系统的特性。图像中目标的亮度取决于投影成目标的景物所受到的光照度、景物表面对光的反射程度以及成像系统的特性。（1）图像信号的数字化（1）图像信号的数字化?模拟图像要转换为数字图像，方能被计算机处理，这一过程成为图像信号的数字化模拟图像要转换为数字图像，方能被计算机处理，这一过程成为图像信号的数字化?数字化包括：数字化包括：采样和量化采样和量化?采样采样：对空间坐标x和y离散化对空间坐标x和y离散化，即确定水平和垂直方向上的像素数，即确定水平和垂直方向上的像素数NMMNMN像素像素图像的分辨率图像的分辨率?图像分辨率图像分辨率?采样所获得的图像总像素的多少，以水平和垂直像素表示采样所获得的图像总像素的多少，以水平和垂直像素表示?用MN表示，M列N行，如25601920用MN表示，M列N行，如25601920?因25601920=4915200，也称为500万像素分辨率。因25601920=4915200，也称为500万像素分辨率。分辨率不一样，数字图像的质量也不一样分辨率不一样，数字图像的质量也不一样?量化量化：?将各个像素所含的明暗信息离散化将各个像素所含的明暗信息离散化?一般的量化值为整数，量化层数取为2的n次幂一般的量化值为整数，量化层数取为2的n次幂?8位量化：即8位量化：即2 28 8，充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊用途的图像均为8bit量化，即用，充分考虑到人眼的识别能力之后，目前非特殊用途的图像均为8bit量化，即用0 2550 255描述描述“从黑到白从黑到白”，0和255分别对应亮度的最低和最高级别。，0和255分别对应亮度的最低和最高级别。0127255?在3bit以下的量化，会出现伪轮廓现象。在3bit以下的量化，会出现伪轮廓现象。?如果要求更高精度，可以增大量化分层，但编码时占用位数也会增多，数据量加大。如果要求更高精度，可以增大量化分层，但编码时占用位数也会增多，数据量加大。=00255800255240240255R=02550160255255801600G=25525525524000160800B（2）图像类型（2）图像类型?灰度图像灰度图像?每个像素只有一个强度值，呈现黑、灰、白等色每个像素只有一个强度值，呈现黑、灰、白等色=100220250180501202001500I?二值图像二值图像?每个像素值要么为0要么为1的数字图像，一般为黑白两色每个像素值要么为0要么为1的数字图像，一般为黑白两色?彩色图像彩色图像?每个像素值为包含三个元素的向量，分别为组成该色彩的RGB值每个像素值为包含三个元素的向量，分别为组成该色彩的RGB值2A 2E 2F 2A 2E 2F 2A 2E 2F2A 2E 2F2A 2E 2F 2A 2E 2F 29 2D 2E29 2D 2E最下边一行的数据：最下边一行的数据：R RGGB B?定义：多帧位图的有序组合定义：多帧位图的有序组合?动态图像动态图像t?动态原理t1/24s(视觉滞留时间)产生连续活动视觉效果动态原理t1/24s(视觉滞留时间)产生连续活动视觉效果?动态图像文件构成动态图像文件构成组合位图组合位图(静态图像静态图像)数据数据调色盘数据调色盘数据速度参数速度参数(时间间隔时间间隔)压缩算法压缩算法?动态图像的技术参数动态图像的技术参数?数据量，相关因素：数据量，相关因素：?画面几何尺寸画面几何尺寸?颜色数量颜色数量?采用的压缩算法采用的压缩算法?图像质量：相关因素位图的颜色与分辨率，过分的数据压缩将影响图像质量图像质量：相关因素位图的颜色与分辨率，过分的数据压缩将影响图像质量?帧速度：帧的切换速度NTSC制：30 Frame/sPAL制：25 Frame/s帧速度：帧的切换速度NTSC制：30 Frame/sPAL制：25 Frame/s?动态图像文件描述动态图像文件描述动态图像文件动态图像文件?AVI(Audio Video Interlaced)：音频视频交互文件(.avi)AVI(Audio Video Interlaced)：音频视频交互文件(.avi)音频音频+视频视频?FLC(Flicks)：电影(动画)文件(.fli或.flc)FLC(Flicks)：电影(动画)文件(.fli或.flc)AVI固定显示分辨率固定显示分辨率320233视频视频FLC多种显示分辨率多种显示分辨率640480END?索引图像索引图像?索引图像实际上不是一种图像类型，而是图像的一种索引图像实际上不是一种图像类型，而是图像的一种存储方式存储方式，牵涉到数据编码的问题。，牵涉到数据编码的问题。颜色数目颜色数目表示方法表示方法存储位数存储位数2020、1、11 14 400、01、10、1100、01、10、112 2161600001111000011114 4256256000000001111111100000000111111118 8真彩色24位真彩色24位000111（3字节）000111（3字节）2424?具体的颜色数据（RGB数据）则存放在调色板中。具体的颜色数据（RGB数据）则存放在调色板中。?图像数据区中存放对应每一个像素点的颜色索引值，图像数据区中存放对应每一个像素点的颜色索引值，2.3 数字图像的数值描述2.3 数字图像的数值描述?所谓的数字图像的描述是指如何用一个数值方式来表示一个图像。所谓的数字图像的描述是指如何用一个数值方式来表示一个图像。?因为矩阵是二维的，所以可以用矩阵来描述数字图像。同时，前面我们已经提到，量化值是整数，因此描述数字图像的矩阵一定是因为矩阵是二维的，所以可以用矩阵来描述数字图像。同时，前面我们已经提到，量化值是整数，因此描述数字图像的矩阵一定是整数阵整数阵。（1）常用坐标系（1）常用坐标系行（行（i i）列（）列（j j）矩阵 A(）矩阵 A(i i,j j)矩阵坐标系)矩阵坐标系X轴（X轴（x x）Y轴（）Y轴（y y）图像 f(）图像 f(x x,y y)直角坐标系)直角坐标系行（行（y y）列（）列（x x）图像f(x,y)像素坐标系）图像f(x,y)像素坐标系（2）数字图像的数据结构（2）数字图像的数据结构?文件头文件头?图像的自我说明，应包含图像的维数、类型、创建日期和某类标题，也可以包含用于解释像素值的颜色表或编码表，甚至历史段（包含如何建